第7章Aspen分离单元模拟PartA

1、第第7章章 分离单元模拟分离单元模拟Part A 蒸馏基础知识蒸馏基础知识n蒸馏依据蒸馏依据蒸馏过程利用均相液体混合物中各组分饱和蒸蒸馏过程利用均相液体混合物中各组分饱和蒸汽压（或沸点或挥发性）的差异而使各组分汽压（或沸点或挥发性）的差异而使各组分得以分离得以分离蒸馏基础知识蒸馏基础知识n蒸馏过程的分类蒸馏过程的分类 按操作流程分按操作流程分间歇蒸馏、连续蒸馏间歇蒸馏、连续蒸馏 按蒸馏方法分按蒸馏方法分简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏 按操作压力分按操作压力分常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏常压蒸馏、减压蒸馏、加压蒸馏 按组分数分按组分数分二元蒸馏、多元蒸馏、复

2、杂蒸馏二元蒸馏、多元蒸馏、复杂蒸馏n通过相对挥发度表示的汽液平衡关系通过相对挥发度表示的汽液平衡关系蒸馏基础知识蒸馏基础知识PTfKxKyiiii,在蒸馏分离过程中，系统的温度、压力时刻在蒸馏分离过程中，系统的温度、压力时刻在发生变化，导致相平衡常数在发生变化，导致相平衡常数K K 也在不断变化，也在不断变化，给计算过程带来很大不便，为了避免这个问题，给计算过程带来很大不便，为了避免这个问题，考虑能否找出另一参数来表达相平衡关系，而这考虑能否找出另一参数来表达相平衡关系，而这一参数随着操作条件的变化并不明显一参数随着操作条件的变化并不明显n挥发度挥发度蒸馏基础知识蒸馏基础知识表示物质挥发能力的

3、大小表示物质挥发能力的大小对纯组分：对纯组分：oPv 对混合液体：对混合液体：BBBAAAxPvxPv对理想溶液：对理想溶液：BoBBAoAAxPPxPPoBBoAAPvPv Tfv n相对挥发度相对挥发度蒸馏基础知识蒸馏基础知识定义：定义： 混合物中两组分挥发度之比，用来表示挥发能混合物中两组分挥发度之比，用来表示挥发能力的差异力的差异 对二元物系，通常用对二元物系，通常用轻组分的挥发度比上重组轻组分的挥发度比上重组分的挥发度分的挥发度低压：低压：BBAABAxPxPvv/理想物系理想物系00BAPP高压：高压：BAKK同样适用于同样适用于低压理想物系低压理想物系n相对挥发度表示的相平衡关系

4、相对挥发度表示的相平衡关系蒸馏基础知识蒸馏基础知识二元物系：二元物系：xxyyxxyyxyxyKKBABABBAABA1/1/xxy) 1(1以以表示的相平衡方程表示的相平衡方程n讨论讨论蒸馏基础知识蒸馏基础知识BABAxxyy/是衡量组分是否易于分离的标志是衡量组分是否易于分离的标志BABAxxyy1不能用蒸馏的方法分离不能用蒸馏的方法分离与与1.01.0偏离越大，两组偏离越大，两组分越易分离分越易分离01.01.0 xy=11231 2 31时，时，yx，可分离可分离n简单蒸馏简单蒸馏蒸馏基础知识蒸馏基础知识蒸馏方式蒸馏方式操作及流程操作及流程y原料液原料液x蒸气蒸气xD1xD2xD3冷凝

5、器冷凝器微分蒸馏、微分蒸馏、渐次汽化、渐次冷凝渐次汽化、渐次冷凝n简单蒸馏简单蒸馏 相图分析相图分析蒸馏基础知识蒸馏基础知识蒸馏方式蒸馏方式t/t/ C Cx(y)x(y)0 01.01.0露点线露点线泡点线泡点线y yx xF F 蒸汽一形成就离开系统蒸汽一形成就离开系统 （釜内）液相（釜内）液相x 越来越小，越来越小，温度温度T 越来越高越来越高 出釜气相出釜气相y 越来越小越来越小 不稳定过程不稳定过程n平衡蒸馏平衡蒸馏闪闪蒸蒸罐罐塔顶产品塔顶产品yAxA加加热热器器原料液原料液 塔底产品塔底产品 Q减减压压阀阀闪蒸闪蒸混合物在加热或冷却过混合物在加热或冷却过程中，程中，气、液两相共存气

6、、液两相共存，并，并保持平衡状态，将气、液两保持平衡状态，将气、液两相分开，以使混合物得到一相分开，以使混合物得到一定程度的分离，这种分离方定程度的分离，这种分离方式称为平衡蒸馏式称为平衡蒸馏操作及流程操作及流程蒸馏基础知识蒸馏基础知识蒸馏方式蒸馏方式n平衡蒸馏相图分析平衡蒸馏相图分析蒸馏基础知识蒸馏基础知识蒸馏方式蒸馏方式t/ Cx(y)01.0露点线露点线泡点线泡点线xyxF气液两相气液两相只有一次相平衡只有一次相平衡;釜内组分含量釜内组分含量x、蒸汽相组成蒸汽相组成y 符合相平衡方程符合相平衡方程;蒸馏后：蒸馏后：xxFy，有分离有分离作用，但分离程度有限作用，但分离程度有限，不能，不能

7、得到高纯度组分。得到高纯度组分。平衡蒸馏是平衡蒸馏是液体的一次部分汽化液体的一次部分汽化或或蒸汽的一次部分冷凝蒸汽的一次部分冷凝的的蒸馏操作蒸馏操作汽、液相组成极汽、液相组成极限能达到多少？限能达到多少？n平衡级平衡级蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理模型：模型：使原未达到平衡的的汽、液两相接触，两相将向使原未达到平衡的的汽、液两相接触，两相将向平衡趋近，若接触平衡趋近，若接触足够充分、气液充分混合足够充分、气液充分混合，离，离开时汽、液两相将达到平衡，此种设备称为一个开时汽、液两相将达到平衡，此种设备称为一个平衡级平衡级一次部分汽化和一次部分冷凝一次部分汽化和一次部分冷凝蒸馏基础知识蒸

8、馏基础知识精馏原理精馏原理t/ Cx(y)01.0yFyxt/ Cx(y)01.0 xFyxtFtF一次部分汽化一次部分汽化一次部分冷凝一次部分冷凝n分析分析 x1xFy1，一次部分汽化与一次部分汽化与一次部分冷凝皆一次部分冷凝皆有分离作用有分离作用全部汽化或全部冷凝无分全部汽化或全部冷凝无分离作用离作用受平衡的限制，一次部分气受平衡的限制，一次部分气化与一次部分冷凝化与一次部分冷凝分离作用有分离作用有限限，得不到较高纯度产品，得不到较高纯度产品蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理n多次部分汽化和多次部分冷凝多次部分汽化和多次部分冷凝流程：流程：xFy1y2 y3（冷凝后作为产品冷凝后作为

9、产品y yD D ）x1x1 x2 （冷凝后作为产品冷凝后作为产品x xW W）x2x3y1y2蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理n分析分析多次部分汽化后：多次部分汽化后： xF x xx=xW ， 液相中重组分得到提浓液相中重组分得到提浓；多次部分冷凝后：多次部分冷凝后： xFyyy=yD ， 汽相中轻组分得到提浓汽相中轻组分得到提浓；t/ Cx(y)01.0 xFx1x2x3x1x2y1y2y3y1y2x xW Wy yD D蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理t/ Cx(y)01.0 xFx1x2x3x1x2y1y2y3y1y2x xW Wy yD D特点：特点：中间产品多中间

10、产品多最终产品（最终产品（xW，yD）收率低收率低设备复杂，能耗高，能量利用设备复杂，能耗高，能量利用不合理不合理如何改善？如何改善？蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理多次部分汽化和多次多次部分汽化和多次部分冷凝的共同实现部分冷凝的共同实现x xF Fy y1 1y y2 2y y3 3x x1 1x x1 1x x2 2x x2 2x x3 3y y1 1y y2 2y y3 3x xw wx xD D蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理分析：分析：多次部分冷凝时，每一级均需要多次部分冷凝时，每一级均需要低温高浓低温高浓的液相回流的液相回流多次部分汽化时，每一级均需要多次部分汽化时

11、，每一级均需要高温低浓高温低浓的汽相上升的汽相上升产品收率提高产品收率提高可得到较纯产品可得到较纯产品能量利用合理能量利用合理 缺点：设备仍很复杂缺点：设备仍很复杂t/ Cx(y)01.0 xFx1x2x3x1x2y1y2y3y1y2x xW Wx xD D？蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理n精馏塔精馏塔料液料液, , x xF F FeedFeed塔顶产品塔顶产品, , x xD DO v e r h e a d O v e r h e a d productproduct塔底产品塔底产品, , x xWWB o t t o m s B o t t o m s productprod

12、uct液相回流液相回流Liquid refluxLiquid reflux汽相回流汽相回流Vapor refluxVapor reflux精馏段精馏段Rectifying sectionRectifying section提馏段提馏段Stripping sectionStripping section再沸器再沸器ReboilerReboiler冷凝器冷凝器condensercondenser各参数变化：各参数变化：沿塔自上而下沿塔自上而下 T 逐渐升高逐渐升高 液相液相x 逐渐减小逐渐减小 汽相汽相y 逐渐减小逐渐减小蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏原理蒸馏基础知识蒸馏基础知识精馏原理精馏

13、原理塔板上汽、液两相接触良好，完全混合，接触充分，致使汽、塔板上汽、液两相接触良好，完全混合，接触充分，致使汽、液两相在离开该板时达到平衡，则称该板为一块理论板液两相在离开该板时达到平衡，则称该板为一块理论板理论板：理论板：n精馏段和回流的作用精馏段和回流的作用蒸馏知识预备蒸馏知识预备精馏原理精馏原理将上升汽相中轻组分提浓，将上升汽相中轻组分提浓，最终在塔顶得到合乎要求最终在塔顶得到合乎要求的轻组分产品的轻组分产品提供低温高浓的液相作提供低温高浓的液相作为精馏介质，保证精馏为精馏介质，保证精馏过程的正常进行过程的正常进行精馏段作用：精馏段作用：回流作用：回流作用：n提馏段和再沸器的作用提馏段和

14、再沸器的作用蒸馏知识预备蒸馏知识预备精馏原理精馏原理提馏段的作用：提馏段的作用：使下降的液相中重组分得到提使下降的液相中重组分得到提浓，最终在塔底得到合乎要求浓，最终在塔底得到合乎要求的重组分产品的重组分产品再沸器的作用：再沸器的作用：提供高温低浓的汽相作为精馏介提供高温低浓的汽相作为精馏介质，保证精馏的正常进行质，保证精馏的正常进行蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n精馏段操作线方程精馏段操作线方程1 2 3 n n+1 V, y1D, xDL, xDVn+1yn+1Ln, xn总物料衡算：总物料衡算：DLVnn1轻组分物料衡算：轻组分物料衡算：DnnnnDxxLyV11Dnn

15、nnnxVDxVLy111恒摩尔流假定成立，令回流比为恒摩尔流假定成立，令回流比为DLR DRVRDL1DnDnDnnxDRDDxDRDRDxDLDxDLLxVDxVLy1111RxxRRyDnn说明：说明： 物流量与组成均为物流量与组成均为物质的量物质的量表示表示 物义：精馏段任意相邻塔板间相遇的汽、液两流组成物义：精馏段任意相邻塔板间相遇的汽、液两流组成之间的关系之间的关系 恒定恒定R yR yn+1n+1x xn n 为一为一直线直线蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n精馏段操作线方程精馏段操作线方程蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n提馏段操作线方程提馏段操

16、作线方程V, yWL, xWm m+1 L, xmV, ym+1总物料衡算：总物料衡算：WVL 轻组分物料衡算：轻组分物料衡算：WmmWxyVxL1整理得：整理得：WmmxVWxVLy1WmmxWLWxWLLy1Wx y 0 1.0 1.0 xD abxW cde1 RxDWLWxW 111 RxxRRyDnnWLWxxWLLyWmm1精馏段操作线：精馏段操作线：斜率：斜率：1 RR截距：截距：1 RxD提馏段操作线：提馏段操作线：斜率：斜率：WLL 截距：截距：WLWxW 过点（过点（x xD D，x xD D）过点（过点（x xW W，x xW W）n操作线方程在操作线方程在y-x相图上的

17、表示相图上的表示n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数1.进料段物料衡算进料段物料衡算LLFVV物平：物平：LVVLF热平：热平：LVLVFHLVHLHHVFH由于相邻两层板的温度和浓度变化不由于相邻两层板的温度和浓度变化不大，可认为大，可认为VVHHLLHH LVLVFHLVHLHHVFH蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数)()(LVFVHHLLHHFLVFVHHHHFLL 进进料料的的摩摩尔尔汽汽化化热热蒸蒸汽汽所所需需热热量量每每摩摩尔尔进进料料汽汽化化为为饱饱和和LVFVHHHHq令令进料热状况参数进料

18、热状况参数qFLLFqVV)1 (液相分率液相分率蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数(1)饱和液体进料饱和液体进料TF=Tb， HF=HL =1=1L LL LF FV VV V（1 1）饱和液体，）饱和液体，q=q=1 1LVFVHHHHq(2)饱和蒸汽进料饱和蒸汽进料TF=Td，HF=HV =0=0LVFVHHHHqLLFVV（2 2）饱和蒸气）饱和蒸气，q=q=0 0蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数10LVFVHHHHq(3)气液两相进料气液两相进料T

19、bTFTd 、HLHFHV LLFVV（3 3）汽液两相）汽液两相 ，00qq1 1蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n进料热状况及进料热状况参数进料热状况及进料热状况参数(4)(4)过冷液体进料过冷液体进料T TF FTTb b 、H HF FHq1 1(5)(5)过热蒸汽进料过热蒸汽进料T TF FTTd d 、H HF FHHV V 0LVFVHHHHqL LL LF FV VV V（5 5）过热蒸汽）过热蒸汽，qq0 0蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n理论塔板数理论塔板数Nt的计算的计算逐板计算法逐板计算法

20、y1y1x1x2y212ym-2xm-2xm-1ym-1m-1n-1m-2W, xWF, xFD, xD计算工具：计算工具：相平衡方程：相平衡方程：yyxorxxy111操作线方程：操作线方程：111 RxxRRyDnnWmmxWLWxWLLy1（A）（B）（C）蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算计算步骤：计算步骤：y1y1x1x2y212ym-2xm-2xm-1ym-1m-1n-1m-2W, xWF, xFD, xD全凝器、泡点回流、饱和液相进全凝器、泡点回流、饱和液相进料（泡点进料或料（泡点进料或q =1=1）;.)()(13)(2)(2)(1)(1FnAnBnBABADxx

21、yxyxyxxy精精馏馏段段操操作作线线相相平平（全全凝凝器器）n理论塔板数理论塔板数Nt的计算的计算逐板计算法逐板计算法蒸馏基础知识蒸馏基础知识理论板数计算理论板数计算n理论塔板数理论塔板数Nt的计算的计算逐板计算法逐板计算法为为止止相相平平提提馏馏段段操操作作线线WmCACxxyxyx.3)(2)(2)(1则精馏段则精馏段N= n-1，提馏段提馏段N2= m-1（不包括再沸器）不包括再沸器）理论板数理论板数NT = N1+N2 = n+m-2（不包括再沸器）不包括再沸器）若若xn-1xFxn，则第则第n n板板为进料板为进料板(提馏段第一块板提馏段第一块板）：x1=xn蒸馏基础知识蒸馏基础

22、知识理论板数计算理论板数计算y y1 1x xW W1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010a aq q 线线d de ey yx x0 01.01.01.01.0y y2 2y y3 3y y6 6x xF Fx x2 2x x1 1x xD Db bn回流量增大的极限是将塔顶汽相冷凝后全部回流量增大的极限是将塔顶汽相冷凝后全部送回顶层塔板作回流，称为送回顶层塔板作回流，称为全回流全回流 R =L/D D =0, W =0, F =0 精馏段和提馏段操作线为对角线精馏段和提馏段操作线为对角线 y=x 每层塔板的分离能力最大，所需的理论塔每层塔板的分离能力最大，所需的理论塔板数最少，板数最少，以以Nmin表